Writing an OS in Rust

Philipp Oppermann's blog

RustでOSを書く

このブログシリーズでは、ちょっとしたオペレーティングシステムをRustプログラミング言語を使って作ります。それぞれの記事が小さなチュートリアルになっており、必要なコードも全て記事内に記されているので、一つずつ読み進めて行けば理解できるでしょう。対応したGithubリポジトリでソースコードを見ることもできます。

最新記事: Async/Await

フリースタンディングな Rust バイナリ

私達自身のオペレーティングシステム(以下、OS)カーネルを作っていく最初のステップは標準ライブラリとリンクしない Rust の実行可能ファイルをつくることです。これにより、基盤となる OS がないベアメタル上で Rust のコードを実行することができるようになります。

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Rustでつくる最小のカーネル

この記事では、Rustで最小限の64bitカーネルを作ります。前の記事で作ったフリースタンディングなRustバイナリを下敷きにして、何かを画面に出力する、ブータブルディスクイメージを作ります。

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VGAテキストモード

VGAテキストモードは画面にテキストを出力するシンプルな方法です。この記事では、すべてのunsafeな要素を別のモジュールにカプセル化することで、それを安全かつシンプルに扱えるようにするインターフェースを作ります。また、Rustのフォーマッティングマクロのサポートも実装します。

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テスト

この記事では、no_stdな実行環境における単体テスト (unit test) 結合テスト (integration test) について学びます。Rustではカスタムテストフレームワークがサポートされているので、これを使ってカーネルの中でテスト関数を実行します。QEMUの外へとテストの結果を通知するため、QEMUとbootimageの様々な機能を使います。

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CPU例外

CPU例外は、例えば無効なメモリアドレスにアクセスしたときやゼロ除算したときなど、様々なミスによって発生します。それらに対処するために、ハンドラ関数を提供する 割り込み記述子表 (interrupt descriptor table) を設定しなくてはなりません。この記事を読み終わる頃には、私達のカーネルはブレークポイント例外を捕捉し、その後通常の実行を継続できるようになっているでしょう。

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Double Faults

この記事ではCPUが例外ハンドラの呼び出しに失敗したときに起きる、ダブルフォルト例外について詳細に見ていきます。この例外を処理することによって、システムリセットを起こす重大なトリプルフォルトを避けることができます。あらゆる場合においてトリプルフォルトを防ぐために、ダブルフォルトを異なるカーネルスタック上でキャッチするための割り込みスタックテーブルをセットアップしていきます。

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Hardware Interrupts

In this post we set up the programmable interrupt controller to correctly forward hardware interrupts to the CPU. To handle these interrupts we add new entries to our interrupt descriptor table, just like we did for our exception handlers. We will learn how to get periodic timer interrupts and how to get input from the keyboard.

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ページング入門

この記事ではページングを紹介します。これは、私達のオペレーティングシステムにも使う、とても一般的なメモリ管理方式です。なぜメモリの分離が必要なのか、セグメンテーションがどういう仕組みなのか、仮想メモリとは何なのか、ページングがいかにしてメモリ断片化 (フラグメンテーション) の問題を解決するのかを説明します。また、x86_64アーキテクチャにおける、マルチレベルページテーブルのレイアウトについても説明します。

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ページングの実装

この記事では私達のカーネルをページングに対応させる方法についてお伝えします。まずページテーブルの物理フレームにカーネルがアクセスできるようにする様々な方法を示し、それらの利点と欠点について議論します。次にアドレス変換関数を、ついで新しい対応付け (マッピング) を作るための関数を実装します。

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Heap Allocation

This post adds support for heap allocation to our kernel. First, it gives an introduction to dynamic memory and shows how the borrow checker prevents common allocation errors. It then implements the basic allocation interface of Rust, creates a heap memory region, and sets up an allocator crate. At the end of this post all the allocation and collection types of the built-in alloc crate will be available to our kernel.

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Allocator Designs

This post explains how to implement heap allocators from scratch. It presents and discusses different allocator designs, including bump allocation, linked list allocation, and fixed-size block allocation. For each of the three designs, we will create a basic implementation that can be used for our kernel.

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Async/Await

この記事では、Rustの協調的マルチタスクasync/await機能について説明します。Rustのasync/await機能については、Future trait の設計、ステートマシンの変換、 pinning などを含めて詳しく説明します。そして、非同期キーボードタスクと基本的なexecutorを作成することで、カーネルにasync/awaitの基本的なサポートを追加します。

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Status Updates

These posts give a regular overview of the most important changes to the blog and the tools and libraries behind the scenes.

First Edition

You are currently viewing the second edition of “Writing an OS in Rust”. The first edition is very different in many aspects, for example it builds upon the GRUB bootloader instead of using the `bootloader` crate. In case you're interested in it, it is still available. Note that the first edition is no longer updated and might contain outdated information. read the first edition »

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